一种悬臂梁式MSMA振动能量采集器研究

振动能量在自然界中广泛存在,利用智能材料收集振动能量为微电子系统供电是新能源领域的发展趋势。该文利用新型智能材料磁控形状记忆合金（MSMA）的逆效应研究设计了一种基于悬臂梁式的MSMA振动能量采集器,对采集器的各部分结构进行理论分析和系统设计,并建立了振动能量采集器的结构模型。利用ANSYS软件对磁场进行有限元分析,验证了磁场回路和磁感应强度满足采集振动能量的要求。在此基础上,研制了采集器样机,并通过搭建实验平台对采集器进行实验测试,结果表明,该悬臂梁式MSMA振动能量采集器具有较宽的振动能量采集频带,输出电压可达220 mV,为振动能量的收集利用提供了参考依据。     

线性三自由度低频压电振动能量采集器

基于线性多自由度振动的概念,提出并设计了一种线性三自由度(3DOF)振动能量采集器。该能量采集器包括一、二阶传动梁及传统单悬臂梁。数学建模及有限元仿真结果表明,多阶传动梁垂直相接构成的线性多自由度系统可有效调节并降低系统的工作频率。实验结果表明,线性三自由度能量采集器在0~100 Hz频率范围内,具有3个电压峰值,有效带宽15Hz,与理论分析相吻合。另外,与传统单悬臂梁能量采集器相比,工作频率降低,频带扩增275%。     

双端磁耦合式压电振动俘能器结构设计

现有的非线性压电俘能器的输出功率提升主要通过改变俘能器的结构或引入非线性元素,但这些方法在提高俘能结构的输出功率,拓宽俘能器的俘能频带方面能力受限。该文设计了一种双端磁耦合式悬臂梁结构压电俘能结构,在利用永磁体引入非线性元素的基础上优化俘能结构,进一步提高系统的输出电压,拓宽俘能频带。通过将悬臂梁俘能结构等效为复杂边界条件的悬臂梁,推导磁耦合式悬臂梁结构的工作状态方程,并得到磁耦合式悬臂梁俘能结构的输出电压与永磁铁间距的关系,并通过实验测试进行验证。结果表明,在永磁体间距为5mm时,压电俘能结构获得最大的输出功率,在最佳的永磁铁间距和负载电阻下,双端压电磁耦合式悬臂梁的输出功率可达传统悬臂梁式压电俘能结构的1.5倍,谐振频率下降约7Hz。     

多向振动俘能器设计及能量收集实验研究

针对线性、单一的振动能量俘能器存在工作频带狭窄、只能采集单向振动等问题,该文提出了一种适应货运列车等多向振动应用场景的新型多向振动俘能装置,以增强对环境中振动能量的俘获。该装置结合压电和电磁俘能器,通过螺旋圆柱弹簧和顶端质量有效捕获多向振动,并通过磁力传递振动能量至压电梁。合理设计了弹簧-质量结构,使其在较低的频率范围内可实现多种振动模态,拓宽了俘能器的谐振频带。为了充分利用压电材料,采用了变宽度压电悬臂梁,使应力均匀分布。压电梁自由端的永磁体随着压电梁的振动而产生变化的磁场,在线圈中产生感应电压。通过有限元分析和实验测试,验证了复合式俘能器可以采集多向振动能量,并测试了在z向振动激励下压电、电磁及复合式俘能器的最大输出功率。在频率9.5 Hz、z向振幅2 mm的正弦波激励下,复合式俘能器输出最大功率为3.276 mW。该系统在理论上可为低功耗传感器提供持续电力,为机械能收集与能量转换领域提供技术支持。     

拨动式上变频压电俘能器的设计与研究

该文提出了一种基于弹簧振动平台的上变频压电俘能器,解决了低频振动能量收集效率低的问题。分析了压电悬臂梁输出功率与激励频率的三次方正相关,解释了采用上变频收集低频振动能量的原因。应用赫兹接触理论分析了拨片与压电悬臂梁的接触力,建立了拨动式激励的压电俘能器机电耦合模型。在综合考虑重叠长度和拨片厚度等影响因素后,选取厚度0.1 mm矩形不锈钢拨片。实验表明,在1g（g=9.8 m/s²）、5.67 Hz的激励信号下,单拨动式上变频V25W型压电悬臂梁输出功率可达9.6 mW,具有很强的低频能量收集性能。     

带异形孔的双稳态压电能量采集器研究

针对传统线性压电悬臂梁能量采集器共振频率高、偏离共振频率时输出电压快速下降的问题,该文设计了一种悬臂梁基板上带异形孔的新型双稳态能量采集器。建立该能量采集器的理论模型,并制作了实验样机,研究了该能量采集器在外界不同正弦激振频率下,磁间距对其输出电压和工作频带的影响。结果表明,随着磁极对间距减小,带异形孔结构的双稳态能量采集器的双稳态效应先增强再减弱,由此确定最佳磁极对间距为12 mm,谐振频率为18 Hz,最大输出均方根电压达到12.01 V,采集器有效工作频率为15.5～22.5 Hz,工作带宽达到7 Hz,带异形孔的双稳态能量采集器具有更宽的采集频带,在低频振动环境下具有更高的输出电压响应。     

非线性压电耦合对L型梁俘能器性能的影响

以二自由度的L型梁双稳态压电俘能器为研究对象,研究了非线性压电耦合关系中的一、二次非线性系数对俘能器输出功率和主梁运动的影响。通过对无量纲动力学方程的数值进行了仿真分析,结果表明,当激励幅值较大时,非线性压电耦合对俘能器输出功率和主梁运动有明显的影响;非线性压电耦合系数越大,输出功率越大,而俘能器的振动位移越小。非线性压电耦合的一次非线性系数取正值时,俘能器的响应优于线性耦合时的俘能器响应,取负值,则反之;而无论二次非线性系数取何值,非线性耦合时俘能器的响应都优于线性耦合时俘能器的响应。     

压电曲梁俘能器的机电耦合方程及其研究

使用哈密顿原理,建立了纯弯曲压电曲梁俘能器的机电耦合偏微分方程,对悬臂边界条件下的压电曲梁俘能器进行了模态分析,得到了俘能器在基础两向振动激励下的模态坐标方程;求解了俘能器在激励下电压与模态响应的稳定解。数值计算实例分析了激励频率、负载电阻对俘能器的电压及功率响应的影响。结果表明,曲梁俘能器与直梁俘能器的电压、功率响应规律具有相似之处,负载电阻不仅对曲梁俘能器的输出功率、输出电压有影响,也会影响其共振频率。     

Effects analysis of bias and excitation conditions on power output of an environmental vibration energy harvesting device using Fe-Ga slice

With the advent of low power VLSI designs and the mass manufacture of CMOS, the power consumption of wireless sensor nodes has been significantly reduced from mW to μW. This opens up a new and interesting research field, that is, the possibility of converting environmental vibration energy to electrical energy for supplying power to the sensors. In this paper, using magnetostrictive materials slice, that is Fe-Ga alloy, a device for harvesting environmental vibration energy is designed and tested. Compared with piezoelectric materials and Terfenal-D alloy, Fe-Ga alloy offers excellent properties for surviving in tough ambient vibration conditions, including higher energy conversion efficiency, longer life cycles, excellent toughness, reduced depolarization and higher flexibility, etc. The designing of vibration energy harvesting process is based on the coupling characteristics of magnetostrictive inverse effect and Faraday electromagnetic induction. The device consists of a Fe-Ga alloy cantilever beam with a magnetostrictive direction throughout the length. It has magnetostrictive inverse effect during vibration and the internal magnetization state will change. A cantilever beam is surrounded by a pickup coil and voltage is induced due to the magnetic field according to Faraday's law. The energy conversion principle among mechanical, magnetic and electric energy is described through a dynamic equation of motion and in conjunction with an electromagnetic conversion equation. The influence law of bias and excitation conditions on output voltage, power and other characteristics of device are investigated in comprehensive experiments. By knowing these influence laws, it is possible to choose an appropriate number of pick up coil for a definite load resistance, to set an appropriate working frequency range, pre-tightening force and pre-magnetized magnetic field such that a maximum power can be harvested. The results derived here can be used as a design guideline for future studies in optimal design and the modeling of vibration energy harvester and force sensor.     

压电电磁复合式振动能量采集器模型的研究

针对目前单一化的压电式或电磁式机械振动能量采集装置最大输出功率较低的问题,设计了一种新型的压电电磁复合式能量采集器。通过对复合式能量采集器建立数学模型,推导出了电压、电流及输出功率的表达式。然后对复合式能量采集器的输出功率特性进行数值仿真,并设置压电片内阻值及其他参数条件,对比分析复合式能量采集器模型与单一的压电式或电磁式能量采集器模型,理论上输出功率提高了38.2%和4.74%。最后通过对采用悬臂梁结构的振动能量采集器的具体实验数据进行分析,论证了压电电磁复合式能量采集器输出功率的高效性。     

Piezoelectric Water Drop Energy Harvesting

Piezoelectric materials convert mechanical deformation directly into electrical charges, which can be harvested and used to drive micropower electronic devices. The low power consumption of such systems on the scale of microwatts leads to the possibility of using harvested vibrational energy due to its almost universal nature. Vibrational energy harvested using piezoelectric cantilevers provides sufficient output for small-scale power applications. This work reports on vibrational energy harvesting from free-falling droplets at the tip of lead zirconate titanate piezoelectric-based cantilevers. The harvester incorporates a multimorph clamped–free cantilever made of lead zirconate titanate piezoelectric thick films. During the impact, the droplet’s kinetic energy is transferred to the form of mechanical stress, forcing the piezoelectric structure to vibrate and thereby producing charges. Experimental results show an instantaneous drop-power of 2.15 mW cm^?3 g^?1. The scenario of a medium intensity of falling water drops, i.e., 200 drops per second, yielded a power of 0.48 W cm^?3 g^?1 per second.     

基于模态分离技术的3×n阵列式低频宽带压电振动发电机的设计研究

针对传统压电发电机固有频率单一,频率采集范围窄和能量采集效率低等缺陷,且无法满足当前无线传感器在特殊工作环境中所需的宽频带和大功率输出.本文基于模态分离技术提出了一种3×n阵列式压电发电结构,并利用COMSOL有限元仿真软件对其进行仿真分析,优化参数后3×5阵列式采集系统在低于50Hz的频率范围内带宽为15.6Hz.实验测试结果发现3×5阵列式发电机的带宽拓宽至13.8Hz;同时在11Hz的共振频率下,最优负载电阻值为350kΩ时,可获得的最大输出功率为2.12mW;最后测试其半功率（1.05mW）带宽达15.3Hz.本文所提出的模态分离技术使阵列采集系统的带宽明显提高且输出功率增大,这个优异的输出性能使得其在多源、宽频振动环境中具有明显的优势.     

风车型低频压电振动能量采集器的研究与设计

基于微机电系统（MEMS）设计了风车型结构的压电振动能量采集器,通过压电效应将低频振动能量转化为电能,用以解决环境中低频能量采集的问题。风车型结构的压电振动能量采集器以硅为基底,以PZT 5A为压电材料,包含上、下电极;4条悬臂梁旋转连接中心质量块与四周固定端,类似于风车结构。数学建模与有限元仿真分析表明,在结构尺寸与材料相同的情况下,圆弧风车型结构的谐振频率较直接连接、直角连接结构的谐振频率更低;4条悬臂梁距离中心质量块越远,谐振频率越低;在0.1g(g=9.8 m/s2)加速度谐振状态下,输出电压约为6.2 V,最大位移接近1.2 mm。基于MEMS工艺,通过IntelliSuite软件研究和定义了风车型振动能量采集器的工艺流程。     

挠曲电悬臂结构的功率频率响应及频移分析

挠曲电效应因其对尺度的敏感性,在微纳尺度的传感器和能量收集器方面具有广阔的应用前景。该文基于挠曲电悬臂梁构建振动能量收集器理论模型,应用Hamilton原理,建立挠曲电悬臂梁结构的控制方程,借助模态分析获得挠曲电悬臂结构的功率频率响应。讨论了结构尺寸、末端质量块、负载阻抗和挠曲电系数等对挠曲电梁谐振频率和频率移动的影响。结果表明,适度增加挠曲电悬臂梁末端质量块的质量有利于提高能量收集器输出功率。当挠曲电悬臂梁能量收集器的负载阻抗接近其自身阻抗时输出功率最大,负载阻抗与结构谐振频率形成负反馈调节,在一定范围内谐振频率随负载增加而增加,并最终趋于频移极值。     

压电振动能量收集器的建模与响应分析

以多方向压电振动能量收集器为对象,建立系统的简化机电耦合动力学模型.利用COMSOL软件构建能量收集装置的有限元模型,分析了系统的振动模态,讨论了系统不同结构参数对其电压频域响应及负载功率阻抗匹配的影响.引入非线性磁力,探究了不同磁间距对电学响应的作用.结果表明,能量收集器在y方向1g(g=9.8 m/s2)加速度载荷...     

Fabrication of Relaxer-Based Piezoelectric Energy Harvesters Using a Sacrificial Poly-Si Seeding Layer

The effect of a polycrystalline silicon (poly-Si) seeding layer on the properties of relaxor Pb(Zr_0.53,Ti_0.47)O₃–Pb(Zn_1/3,Nb_2/3)O₃ (PZT–PZN) thin films and energy-harvesting cantilevers was studied. We deposited thin films of the relaxor on two substrates, with and without a poly-Si seeding layer. The seeding layer, which also served as a sacrificial layer to facilitate cantilever release, was found to improve morphology, phase purity, crystal orientation, and electrical properties. We attributed these results to reduction of the number of nucleation sites and, therefore, to an increase in relaxor film grain size. The areal power density of the wet-based released harvester was measured. The power density output of the energy harvester with this relaxor composition and the poly-Si seeding layer was 325 μW/cm².     

Analysis of piezoelectric energy harvesting device with adjustable resonance frequency

This paper presents an analytic method that adjusts resonance frequency of a piezoelectric vibration energy harvester. A mathematical model that estimates resonance frequency of cantilever is also proposed. Through moving an attached mass and changing its weight on the cantilever beam, resonance frequency of adopted piezoelectric device can be adjusted to match the frequency of ambient vibration sources, which is critical in order to harvest maximum amount of energy. The theoretical results are validated by experiments that move different masses along experimental cantilever beams. The results demonstrate that resonance frequency can be adjusted by an attached mass located at different positions on the cantilever beam. Different combinations of operational conditions that harvest maximum amount of energy are also discussed in this paper.     

悬臂梁压电式能量收集器频带扩展研究

为了扩宽悬臂梁压电式能量收集器的工作频带,提出了一种新型的电学连接方案。通过将悬臂梁表面电极分为两个对称区域,实现扭转模态下正负电荷的有效收集。对悬臂梁的结构尺寸进行优化,使弯曲模态接近扭转模态的谐振频率,以扩宽压电式能量收集器频带。根据Erturk的分布参数机电模型,研究了两种模态下的输出电压与固有频率。研究结构表明,当悬臂梁长宽比在3.25~3.35范围内,1阶扭转模态频率接近2阶弯曲模态频率,实现了能量收集器的频带扩宽。该工作对悬臂梁压电式能量收集器的研究和应用具有一定的借鉴意义。     

MSMA振动能量采集器的设计与实现

采用智能材料磁控形状记忆合金(MSMA)将机械振动能量转换成电能为无线电子设备供电已备受关注。该文利用MSMA的维拉利效应(逆磁致伸缩效应)分析了MSMA振动能量采集器工作原理,计算并确定了振动能量采集系统的磁轭、线圈、保护系统、固定装置的尺寸和性能参数。利用ANSYS软件对系统进行了仿真,验证了各部分结构参数和材料选型的正确性。在此基础上,设计制作了MSMA振动能量采集器样机,搭建了MSMA振动能量采集器实验平台,进行了振动力激振实验,得到了在不同输入频率和应力大小条件下感应电压的输出曲线,实验和仿真结果表明,利用MSMA材料可将机械振动能量转化为电能,为振动能量收集利用提供了参考依据。     

悬臂梁基底对压电俘能器输出响应的影响分析

悬臂梁的材料与结构对压电俘能器的输出响应具有重要影响。为了 研究在1.5~5.8 m/s低风速环境下不同基底材料对接触式压电俘能器的影响,该文选择聚氯乙烯（PVC）、304不锈钢、1060铝和H68黄铜材料为基底的柔性聚偏氟乙烯（PVDF）压电悬臂梁结构,并进行了对比实验与分析。结果表明,以304不锈钢为基底的悬臂梁结构输出功率最大。通过计算不同基底材料梁的结构参数发现,在低风速工况下,梁的结构刚度与减幅因数是影响压电俘能器输出性能的主要因素。同等工况下,梁的结构刚度越小,接触式压电俘能器的启动风速越低,风致振动的激振力频率越高;减幅因数越小,悬臂梁的输出功率越大。